Виконавчий орган бурового комплексу

Реферат: Виконавчий орган бурового комплексу належить до бурової техніки і може бути використаним при бурінні свердловин. Виконавчий орган містить приводний вал, торцеву шарошку зі змінною насадкою і похилою віссю обертання, підшипники з регулюючим пристроєм, розпірно-крокуючий механізм з радіальними і аксіальними гідроциліндрами. Розпірно-крокуючий механізм виконано як статор навколо приводного вала. Ззовні статор забезпечено кільцевою нерухомою перегородкою з двома симетричними аксіальними робочими гідроциліндрами, в яких розміщені кільцеві поршні з кільцевими штоками, на кінцях яких встановлено на шліцах радіальні гідроциліндри з поршнями, що мають криволінійні опорні плити з рифленням для взаємодії з породою виробки. Забезпечується підвищення довговічності виконавчого органу та можливість буріння свердловин в широкому діапазоні змін нахилу і кривизни свердловини, оптимізація навантаження на породоруйнівний орган в процесі буріння та підвищення швидкості буріння. UA 111745 C2 (12) UA 111745 C2 UA 111745 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до бурової техніки і комбайнів і може бути використаний при бурінні свердловин і спорудженні гірничих виробок в скельних породах. Відоме бурове шарошкове долото, яке містить шарошки, змонтовані на цапфах лап за допомогою замкового шарикопідшипника та двох роликових підшипників, причому обидва роликових підшипники виготовлені конічними, а замковий шарикопідшипник розташований між ними [Авторское свидетельство СССР № 1229297, МПК4 Е21В 10/22, опубл. 07.05.1986, Бюл. № 17]. До недоліків цього долота можна віднести неможливість регулювання навантаження на долото в процесі буріння, обмежений діаметр свердловини, буріння тільки прямолінійних свердловин, необхідність використання бурової колони, велика кількість спуско-підіймальних операцій, невисока швидкість буріння. Крім того, відоме бурове долото, яке містить корпус та породоруйнівний орган з озброєнням, які виготовлені у вигляді змінних кінцевих насадок (матриць) із зносостійкого матеріалу, армованих вставками (зубками) із твердого матеріалу, котрі за допомогою підшипникових опор змонтовані на корпусі один всередині іншого, внутрішній з яких встановлений з кутовим нахилом щодо осі долота, а зовнішній - з кутовим нахилом у протилежний бік щодо осі долота, при цьому підшипникова опора кожного породоруйнівного органу оснащена пристроєм для регулювання величини осьової гри (або попереднього натягу) [Патент України на винахід № 94503, МПК Е21В 10/22, опубл. 10.05.2011, Бюл. № 9]. Недоліками цього долота є складність буріння криволінійних і похилих свердловин, неможливість регулювання навантаження на долото в процесі буріння, необхідність жорсткої бурової колони, обмежений діаметр свердловини, неефективна робота підшипникових вузлів, які мають недостатній моторесурс в складних умовах експлуатації під одночасною дією радіальних і осьових зусиль. Такі ж недоліки притаманні і іншим буровим долотам відомих конструкцій [Патенти US 4967854 А, 06.11.1990; US 4154312 А, 15.05.79; US 4359111 А, 16.11.82; US5096005 А, 17.03.92; US8047308 В2, 01.11.2011]. Найбільш близьким за технічною суттю і ефективністю є бурове шарошкове долото, в якому породоруйнівний орган у вигляді ріжучої головки містить стрижень і конусну насадку як одне ціле зі штоком. Насадка має ріжучу поверхню у вигляді зрізаного конусу, яка коаксіальна з віссю ріжучої головки. Ріжуча головка пристосована для прикріплення до бурового долота під кутом стосовно осі бурового долота [Патент US 4967854 А, 09.10.1989]. Недоліками цього винаходу є нерегульованість напірних зусиль на бурову головку з боку бурової колони, ці зусилля є змінними при зміні глибини буріння - на малій глибині вони недостатні, а на великій - надлишкові. Оскільки для буріння необхідна жорстка бурова колона, то виникають значні витрати часу на підйомно-спускні операції, заміна породоруйнівного органу складна, нераціональна схема розташування підшипників, які повинні сприймати великі радіальні і осьові зусилля одночасно, відсутній регулюючий пристрій для підшипників, що обмежує ресурс їх роботи і несучу спроможність недостатні довговічність, технологічність та уніфікація долота. Це в цілому зменшує ефективність роботи і надійність бурового долота. Задачею винаходу є підвищення довговічності, технологічності та уніфікації шарошкових виконавчих органів (бурових доліт) та розширення їх функціональних можливостей по бурінню свердловин довільного діаметру в широкому діапазоні змін нахилу і кривизни свердловини, забезпечення оптимізації навантаження на долото в процесі буріння, простоту та швидкість підйому і заміни долота, зменшення вартості і підвищення швидкості буріння. Ця технічна задача вирішується тим, що виконавчий орган бурового комплексу, який містить приводний вал, породоруйнівний орган у вигляді торцевої шарошки зі змінною насадкою і похилою віссю обертання, підшипники з регулюючим пристроєм, розпірно-крокуючий механізм з радіальними і аксіальними гідроциліндрами, на відміну від найближчого аналога розпірнокрокуючий механізм виконано як статор навколо приводного вала, ззовні статор забезпечено кільцевою нерухомою перегородкою з двома симетричними аксіальними робочими гідроциліндрами, в яких розміщені кільцеві поршні з кільцевими штоками, на кінцях яких встановлено на шліцах радіальні гідроциліндри з поршнями, що мають криволінійні опорні плити з рифленням для взаємодії з породою виробки. Крім того доцільно, щоб упорний підшипник породоруйнівного органу було оснащено регулюючим пристроєм, який виконано у вигляді фланця з трубою на торці приводного вала і допоміжного упорного підшипника між стінками фланцю і тілом руйнівного органу, який встановлено за допомогою прокладок і регулюючих гвинтів. 1 UA 111745 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Крім того доцільно, щоб осі тіл кочення упорного підшипника породоруйнівного органу було виконано як твірні конуса з кутом розкриття, який дорівнює куту розкриття конуса змінної насадки породоруйнівного органу. Технічна суть і принцип дії запропонованого виконавчого органу бурового комплексу пояснюється кресленнями, на яких зображено: на фіг. 1 поздовжній розріз, головний вид; на фіг. 2 - розгортка А-А на фіг. 1. Виконавчий орган буровою комплексу (фіг. 1) містить породоруйнівний орган (ПРО) 1 з озброєнням у вигляді торцевої шарошки зі змінною насадкою 1.1 із зносостійкого матеріалу криволінійної форми. Вона оснащена руйнівними вставками 1.2, виготовленими із твердого матеріалу, наприклад твердого сплаву на вольфрамо-кобальтовій основі, або з надтвердого композиційного матеріалу на основі штучних алмазосплавных композицій чи природних алмазів. Змінну насадку 1.1 жорстко встановлено на фігурній опорі 1.3 за допомогою болтів 1.4. Вставка 1.1 через упорний підшипник 1.5 з фігурним кільцевим виступом 1.6 і регулюючий пристрій 2 з'єднана приводним валом 3. Упорний підшипник 1.5 контактує з торцем 3.1 приводного вала 3, причому осі 1.5.1 його тіл кочення 1.5.2 виконано як твірні конуса з кутом розкриття, який дорівнює куту розкриття конуса породоруйнівного органу. Регулюючий пристрій 2 забезпечує роботу упорного підшипника 1.5 і складається з трубчатого фланця 2.1, регулюючих прокладок 2.2, болтів 2.3 і упорного підшипника 2.4. Трубчатий фланець 2.1 герметично сполучено з фігурним кільцевим виступом 1.6 насадки 1.1 і жорстко з'єднано з торцем 3.1 приводного вала 3. В приводному валу 3 виконано канал 3.2, який з'єднано з трубчатим фланцем 2.1. Вісь обертання 3.3 приводного вала 3 співпадає з віссю гірничої виробки 5 на її прямолінійних ділянках. На зовнішній поверхні приводного вала 3 встановлено розпірно-крокуючий механізм (РКМ) 4 за допомогою системи підшипників: двох радіальних 4.1 і між ними упорного 4.2. Кінцевий радіальний підшипник 4.1 встановлено за допомогою торцевої кришки 4.3. На цих підшипниках встановлено статор 4.4. Розпірно-крокуючий механізм 4 виконано у вигляді симетричної комбінації двох пар радіальних 4.5, 4.6 і аксіальних 4.7, 4.8 гідроциліндрів, розміщених на статорі 4.4 приводного вала 3. Аксіальні гідроциліндри 4.7, 4.8 розміщено між радіальними 4.5, 4.6 і мають кільцеві симетричні робочі камери: передні 4.9, 4.10 і задні 4.11 і 4.12 з загальною кільцевою нерухомою відносно статора 4.4 перегородкою 4.13, причому поршні аксіальних гідроциліндрів 4.14, 4.15 виконано кільцевими і жорстко попарно з'єднано з радіальними циліндрами 4.5, 4.6, які мають змогу аксіально переміщуватися відносно статору 4.4 по його шліцах 4.16. Поршні 4.17 радіальних гідроциліндрів 4.5, 4.6 оснащено опорними плитами 4.18, виготовлених із зносостійкого матеріалу, зовнішня поверхня якого виготовлена з подвійною кривизною і має рифлення. Особливістю конструкції ПРО 1 є те, що вісь обертання 1.7 торцевої шарошки у гірничій виробці 5 має постійний кут нахилу до осі 3.3 приводного вала 3. Тому розроблений ПРО 1 відноситься до класу роторних гіпотрохоїдно-прецесіонних механізмів, коли прецесію створюють примусово за рахунок обертання приводного вала 3. Виконавчий орган бурового комплексу працює так. Для руйнування порід у вибої 5.1 робота виконавчого органу бурового комплексу складається з циклів робочого ходу, коли здійснюється руйнування порід ПРО 1 під напором РКМ 4 на вибій і зворотного ходу поршнів 4.14 і 4.15 аксіальних гідроциліндрів 4.7 і 4.8 для повернення його у вихідне положення. Цикл робочого ходу (напору) полягає в притисканні інструменту ПРО 1 до вибою 5.1. Напірне зусилля створює тиск робочої рідини, яка через гідромагістралі (умовно не показано) спочатку діє на поршні 4.17 радіальних гідроциліндрів 4.5, 4.6 і через опорні плити 4.18 починає розпирати їх в бокові стінки 5.2 гірничої виробки 5. Після розпору радіальних гідроциліндрів 4.5, 4.6 робочу рідину під тиском подають у камери робочого ходу 4.9 і 4.10 аксіальних гідроциліндрів 4.7, 4.8, що спонукає статор 4.4 аксіально рухатись в напрямку вибою 5.1 і створювати напірне зусилля на ПРО 1. Останній обертається як елемент роторного механізму з похилою віссю обертання 1.7 торцевої шарошки на конічних роликах 1.5.2 з віссю 1.5.1 упорного підшийника 1.5 за рахунок руху приводного вала 3, який в свою чергу обертається за допомогою окремого двигуна, встановленого на статорі 4.4 РКМ 4 (або, як варіант, бурової колони). При роботі породоруйнівного органу 1 буровий шлам транспортується з вибою 5.1 буровим розчином (як варіант, стислим повітрям), який подають під тиском через канал 3.2 в приводному валу 3. Цикл зворотного ходу починається, коли поршні 4.14 і 4.15 аксіальних гідроциліндрів 4.7 і 4.8 закінчили повний робочій хід. Для цього під поршнем 4.17 радіального гідроциліндру 4.6 2 UA 111745 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 знімають тиск робочої рідини і його опорна плита 4.18 не тисне на бокову стінку 5.2 гірничої виробки 5. Далі камеру робочого ходу 4.10 аксіального гідроциліндра 4.8 підключають до зливної гідромагістралі, а камеру зворотного ходу 4.12 аксіального гідроциліндра 4.8 підключають до напірної гідромагістралі (наприклад за допомогою електрогідроклапанів). В результаті радіальний гідроциліндр 4.6 з поршнем 4.15 переміщується у початкове положення, після чого його розпирають тиском робочої рідини в бокові стінки 5.2 гірничої виробки 5. Той же порядок дій повторюють для переміщення радіального гідроциліндру 4.5 в його початкове положення. На цьому цикл зворотного ходу завершено і РКМ 1 переходить до нового циклу руйнування порід у вибою. Зміну напрямку гірничої виробки 5 здійснюють шляхом повороту РКМ 4 в просторі за рахунок відповідного перехресного перерозподілу тиску робочої рідини під поршнями 4.17 передніх і задніх радіальних гідроциліндрів 4.5 і 4.6. Відмінні ознаки винаходу дають наступні його переваги перед існуючими аналогами. Завдяки тому, що розпірно-крокуючий механізм виконано як статор навколо приводного вала, і ззовні статор забезпечено кільцевою нерухомою перегородкою з двома симетричними аксіальними робочими гідроциліндрами, в яких розміщені кільцеві поршні з кільцевими штоками, на кінцях яких встановлено на шліцах радіальні гідроциліндри з поршнями, що мають криволінійні опорні плити з рифленням для взаємодії з породою виробки, виконавчий орган бурового комплексу не потребує створення напірного зусилля від бурової колони, що дозволяє відмовитись від використання жорсткої бурової колони, забезпечити регулювання оптимального навантаження на долото в процесі буріння, значно полегшити буріння криволінійних і похилих свердловин і, в підсумку, істотно підвищити швидкість буріння, знизити вартість і масу бурового обладнання. Крім того досягається значне спрощення схеми передачі напірного зусилля на породний вибій і створено можливість роботи виконавчого органу в нових режимах руйнування порід, а саме пульсуючий радіальний і поворотний, що суттєво збільшує швидкість буріння і ресурс роботи виконавчого органу. Завдяки тому, що упорний підшипник породоруйнівного органу оснащено регулюючим пристроєм, який виконано у вигляді фланця з трубою на торці приводного вала і допоміжного упорного підшипника між стінками фланцю і тілом руйнівного органу, який встановлено за допомогою прокладок і регулюючих гвинтів, досягається можливість осьового регулювання упорного конічного роликопідшипника, та виключається втрата фізичного контакту тіл кочення із кільцями підшипника. Крім того завдяки тому, що осі тіл кочення упорного підшипника породоруйнівного органу виконано як твірні конуса з кутом розкриття, який дорівнює куту розкриття конуса змінної насадки породоруйнівного органу, можна значно підвищити вантажопідйомність упорного конічного роликопідшипника, що в свою чергу дозволяє підвищити зусилля на породоруйнівний орган і тим самим збільшити швидкість буріння. Тим самим досягається широке регулювання обертів долота, розширення діапазону діаметрів свердловин, можливість оперативного регулювання і оптимізацію навантаження на долото в процесі буріння, простота та оперативність заміни насадки породоруйнівного органу, заміни та встановлення виконавчого органу в цілому. Таким чином поставлену задачу щодо підвищення ефективності та розширення функціональних можливостей виконавчого органу виконано. Конструктивні відмінності виконавчого органу бурового комплексу, його компактність і широкі функціональні можливості забезпечують високу швидкість проходки гірничої виробки (5…10 м/годину і більше), широкий діапазон вибору діаметрів виробки (0,1…4 м), довільний кут її нахилу (±90°, в тому числі і для буріння уверх), велику глибину буріння (до 4-5 км), легку зміну напрямку траси виробки при незначному її радіусу кривизні (від 10 її діаметрів). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Виконавчий орган бурового комплексу, що містить приводний вал, породоруйнівний орган у вигляді торцевої шарошки зі змінною насадкою і похилою віссю обертання, підшипники з регулюючим пристроєм, розпірно-крокуючий механізм з радіальними і аксіальними гідроциліндрами, який відрізняється тим, що розпірно-крокуючий механізм виконано як статор навколо приводного вала, ззовні статор забезпечено кільцевою нерухомою перегородкою з двома симетричними аксіальними робочими гідроциліндрами, в яких розміщені кільцеві поршні з кільцевими штоками, на кінцях яких встановлено на шліцах радіальні гідроциліндри з поршнями, що мають криволінійні опорні плити з рифленням для взаємодії з породою виробки. 3 UA 111745 C2 5 2. Виконавчий орган за п. 1, який відрізняється тим, що упорний підшипник породоруйнівного органу оснащено регулюючим пристроєм, який виконано у вигляді фланця з трубою на торці приводного вала і допоміжного упорного підшипника між стінками фланцю і тілом руйнівного органу, який встановлено за допомогою прокладок і регулюючих гвинтів. 3. Виконавчий орган за п. 1, який відрізняється тим, що осі тіл кочення упорного підшипника породоруйнівного органу виконано як твірні конуса з кутом розкриття, який дорівнює куту розкриття конуса змінної насадки породоруйнівного органу. 4 UA 111745 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5